Космологические представления Аристотеля. Геоцентрическая система мира Птолемея

3 Понятие об экосистеме  и биогеоценозе. Элементы экосистем (биотоп, биоценоз)

Любую совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ, называют экосистемой. Термин был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли, который подчеркивал, что при таком подходе неорганические и органические факторы выступают как равноправные компоненты и мы не можем отделить организмы от конкретной окружающей их среды. А. Тенсли рассматривал экосистемы как основные единицы природы на поверхности Земли, хотя они и не имеют определенного объема и могут охватывать пространство любой протяженности.

Для поддержания круговорота веществ в системе необходимо наличие запаса неорганических молекул в усвояемой форме и трех функционально различных экологических групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов.

Продуцентами выступают автотрофные организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений. Консументы – это гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансформирующие его в новые формы. Редуценты живут за счет мертвого органического вещества, переводя его вновь в неорганические соединения. Классификация эта относительная, так как и консументы, и сами продуценты выступают частично в роли редуцентов, в течение жизни выделяя в окружающую среду минеральные продукты обмена веществ.

В принципе круговорот атомов может поддерживаться в системе и без промежуточного звена – консументов, за счет деятельности двух других групп. Однако такие экосистемы встречаются скорее как исключения, например на тех участках, где функционируют сообщества, сформированные только из микроорганизмов. Роль консументов выполняют в природе в основном животные, их деятельность по поддержанию и ускорению циклической миграции атомов в экосистемах сложна и многообразна.

Масштабы экосистемы в природе чрезвычайно различны. Неодинакова также степень замкнутости поддерживаемых в них круговоротов вещества, т. е. многократность вовлечения одних и тех же атомов в циклы. В качестве отдельных экосистем можно рассматривать, например, и подушку лишайников на стволе дерева, и разрушающийся пень с его населением, и небольшой временный водоем, луг, лес, степь, пустыню, весь океан и, наконец, всю поверхность Земли, занятую жизнью.

Параллельно с развитием концепции экосистем успешно развивается учение о биогеоценозах, автором которого был академик В. Н. Сукачев (1942).

«Биогеоценоз – это совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологических условий), имеющих свою специфику взаимодействия этих слагаемых ее компонентов и определенный тип обмена веществами и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном движении, развитии» (В. Н. Сукачев, 1964).

«Экосистема» и «биогеоценоз» – близкие по сути понятия, но если первое из них приложимо для обозначения систем, обеспечивающих круговорот любого ранга, то «биогеоценоз» – понятие территориальное, относимое к таким участкам суши, которые заняты определенными единицами растительного покрова – фитоценозами. Наука о биогеоценозах – биогеоценология – выросла из геоботаники и направлена на изучение функционирования экосистем в конкретных условиях ландшафта в зависимости от свойств почвы, рельефа, характера окружения биогеоценоза и составляющих его первичных компонентов – горной породы, животных, растений, микроорганизмов.

В биогеоценозе В. Н. Сукачев выделял два блока: экотоп – совокупность условий абиотической среды и биоценоз– совокупность всех живых организмов.

Экотоп часто рассматривают как абиотическую среду, не преобразованную растениями (первичный комплекс факторов физико-географической среды), а биотоп – как совокупность элементов абиотической среды, видоизмененных средообразующей деятельностью живых организмов. Во внутреннем сложении биогеоценоза выделяют такие структурно-функциональные единицы, как парцеллы (термин предложен Н. В.Дылисом). Биогеоценотические парцеллы включают в себя растения, животное население, микроорганизмы, мертвую органику, почву и атмосферу по всей вертикальной толще биогеоценоза, создавая его внутреннюю мозаику. Биогеоценотические парцеллы различаются визуально по растительности: высоте и сомкнутости ярусов, видовому составу, жизненному состоянию и возрастному спектру популяций доминирующих видов. Иногда они хорошо отграничены по составу, строению и мощности лесной подстилки. Названия им дают обычно по растениям, доминирующим в разных ярусах. Например, в волосистоосоковом дубо-ельнике можно выделить такие парцеллы, как елово-волосистоосоковая, елово-кисличная, крупнопапоротниковая в окнах древесного яруса, дубово-снытевая, дубово-осиново-медуничная, березово-елово-мертвопокровная, осиново-снытевая и др.

Внутри каждой парцеллы создается свой фитоклимат. Весной в тенистых еловых парцеллах снег лежит дольше, чем на участках под листопадными деревьями или в окнах. Поэтому активная жизнь весной в парцеллах наступает в разные сроки, переработка детрита также идет с разной скоростью. Границы между парцеллами могут быть как относительно четкими, так и размытыми. Взаимосвязь осуществляется как в результате кондиционирования условий среды (теплообмен, изменение освещения, перераспределение осадков и т. п.), так и в результате материально-энергетического обмена. Происходит разброс растительного опада, перенос пыльцы, спор, семян и плодов воздушными потоками и животными, перемещение животных, поверхностный сток осадков и талых вод, передвигающих минеральные и органические вещества. Все это поддерживает биогеоценоз как единую, внутренне разнородную экосистему.

4 Самоорганизация. Примеры  самоорганизации в природе

Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией. Самоорганизация – фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества.

 В каждом конкретном случае самоорганизация проявляется по-разному, это зависит от сложности и природы изучаемой системы.

Существуют два подхода к проблеме самоорганизации систем, которые все чаще обсуждаются в естественно-научной и философской литературе. Это так называемые субстратный и функциональный подходы. К первому из них относят теорию происхождения жизни с вполне определенными особенностями вещественной основы биологических систем, т.е. со строго определенным составом элементов-органогенов и не менее определенной структурой входящих в живой организм химических соединений. Рациональный результат субстратного подхода к проблеме биогенеза – накопленная информация об отборе химических элементов и структур.

В настоящие дни проблему самоорганизации в живой и неживой природе подробно изучает новая наука – синергетика, появившаяся в 70-е годы прошлого века и претендующая на описание движущихся сил эволюции любых объектов нашего мира.

Примером самоорганизации в живой природе может служить теория эволюционизма – самопроизвольного формирования биологических систем из неживых химических элементов. Это нашло подтверждение в фактах обнаружения аминокислот в кометах и метеоритах. Из аминокислот построены все белки. Начало жизни на Земле – появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков. Следующим шагом в организации живого должно было быть образование мембран, которые отделяют смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка – «единица живого», главное структурное отличие живого от неживого.

Эволюция привела к появлению современного человека, которая является самым высокоорганизованным живым существом.

Самоорганизация – это процесс движения от хаоса к порядку, возникновение нового. Под хаосом понимается отсутствие корреляции (взаимосвязи) процесса, его неупорядоченность. Примером хаоса является броуновское движение. Мера неорганизованности, хаоса называется энтропией.

Приведем пример самоорганизации в физической системе. Если охлаждать водяной пар при постоянном объеме, то тепловое движение молекул становится все менее интенсивным и упорядоченность системы молекул повышается; когда водяной пар конденсируется в жидкость, происходит скачкообразное уменьшение энтропии и выделяется теплота. При дальнейшем снижении температуры тепловое движение молекул становится все менее интенсивным и происходит дальнейшее уменьшение энтропии. Когда жидкость отвердевает, молекулы в кристалле льда занимают строго определенные положения, энтропия скачком уменьшается практически до нуля и выделяется теплота.

Из рассмотренного примера видно, что переходу водяного пара в воду, воды в лед предшествуют случайные отклонения от положения равновесия, называемые флуктуациями. В особой точке, называемой точкой бифуркации, флуктуации достигают такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается.

В этой точке система находится одновременно как бы в двух состояниях (например, при гололедице под ногами находится и вода и лед) и точно предсказать ее поведение невозможно. Затем при достижении параметром внешней среды некоторого критического значения система скачком переходит в устойчивое состояние. Новые структуры, полученные таким образом называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии. Это, например, вода, образованная из водяного пара, лед – из воды.

Рассмотрим другие примеры диссипативных структур: ячейки Бенара, турбулентность, колебательные химические реакции, лазер.

При нагревании ртути, налитой в широкий плоский сосуд, слой ртути, после того, как температура достигнет некоторого критического значения, распадается на одинаковые шестигранные призмы – ячейки Бенара.

В качестве другого примера возникновения самоорганизации рассмотрим переход послойного (ламинарного) течения жидкости в вихревое (турбулентное). Этот переход возникает, если на пути движения жидкости поместить какое-то тело (например, шар) и увеличивать давление и соответственно скорость потока. При увеличении скорости потока выше критической за телом образуются завихрения, т.е. вместо спокойного ламинарного движения возникает турбулентное движение жидкости.

Одним из наиболее-впечатляющих примеров возникновения самоорганизации является химическая реакция Белоусова-Жаботинского, в результате которой специальный раствор начинает периодически менять цвет с красного на голубой. Поэтому такую реакцию называют «химическими часами».

Наиболее значительным примером самоорганизации, нашедшим широкое применение в науке и технике, является лазер. В твердотельном лазере атомы, возбужденные накачкой энергией от внешнего источника, испускают световые электромагнитные волны несогласованно (не когерентно). Если увеличить мощность накачки выше определенного значения, то атомы начинают испускать свет в одинаковой фазе, с одной частотой, с одинаковым направлением поляризации (когерентные волны). Этот когерентный свет усиливается за счет многократного прохождения по активной среде и вовлечения в этот индуцированный процесс новых атомов активированной среды. Лазер переходит в режим генерации, испуская усиленное, направленное, монохроматическое, когерентное излучение.

Во всех самоорганизующихся системах происходят коллективные процессы: коллективно выстраиваются молекулы в узлах кристаллической системы; вихри внутри жидкости; коллективно и согласованно атомы испускают когерентное излучение в лазере.

5 Краткая история развития  эволюционных идей в биологии

Развитие эволюционных идей в биологии имеет достаточно длительную историю. Начало рассмотрению вопросов эволюции органического мира было положено еще в античной философии и продолжалось более двух тысяч лет, пока не возникли первые самостоятельные биологические дисциплины в науке Нового времени. Основным содержанием данного периода является сбор сведений об органическом мире, а также формирование двух основных точек зрения, объясняющих разнообразие видов в живой природе.

 Первая из них возникла  еще на базе античной диалектики, утверждавшей идею развития и изменения окружающего мира. Вторая точка зрения появилась вместе с христианским мировоззрением, основанном на идеях креационизма. В то время в умах многих ученых господствовало представление, что Бог создал весь окружающий нас мир, в том числе все виды жизни, существующие с тех пор в неизменном виде.

На протяжении всего начального этапа развития эволюционной идеи между этими двумя точками зрения шла постоянная борьба, причем серьезное преимущество имела креационистская версия. Ведь наивно трансформистские представления о самозарождении живых существ и возникновении сложных организмов путем случайного сочетания отдельных органов, при котором нежизнеспособные сочетания вымирают, а удачные сохраняются (Эмпедокл), внезапном превращении видов (Анаксимен) и т.д. не могут рассматриваться даже как прообраз эволюционного подхода к познанию живой природы.

Тем не менее, в этот период был высказан ряд ценных идей, необходимых для утверждения эволюционного подхода. Среди них особое значение имели выводы Аристотеля, который в своей работе «О частях животных» отмечал, что природа постепенно переходит от предметов неодушевленных к растениям, а затем к животным, причем этот переход идет непрерывно. К сожалению, Аристотель говорил не о развитии природы в его современном понимании, а о том, что одновременно сосуществует целый ряд соположенных живых форм, лишенных генетической связи между собой. Поэтому ценна, прежде всего, его идея «лестницы живых существ», показывающая существование организмов разной степени сложности, – появление эволюционных теорий было бы невозможно без осознания этого факта.

 Интерес к биологии заметно  усилился в эпоху Великих географических  открытий. Интенсивная торговля и открытие новых земель расширяли сведения о животных и растениях. Потребность в упорядочении быстро накапливающихся знаний привела к необходимости их систематизации и появлению первых классификаций видов, среди которых особое место принадлежит классификации К. Линнея. В своих представлениях о живой природе Линней исходил из идеи неизменности видов. Но в том же XVIII в. появились и другие идеи, связанные с признанием не только градации, но и постепенного усложнения органических форм. Эти представления стали называться трансформизмом, и к этому направлению принадлежали многие известные ученые того времени. Все трансформисты признавали изменяемость видов организмов под действием изменений окружающей среды, но при этом большинство из них еще не имели целостной и последовательной концепции эволюции.